2nd generation bioethanol production in a circular economy logic

Abstract

The excessive use of fossil resources leads not only to their depletion but also to serious environmental problems. The production of second generation biofuels from raw materials not intended for human consumption, can mitigate these problems while contributing to the reduction of waste disposal. Because of the large amounts of cellulose and hemicelluloses and its wide availability, lignocellulosic biomass (LCB) is a promising source for the production of second generation bioethanol. In order for lignocellulosic materials to be converted to ethanol through fermentative microorganisms, they must undergo complex and expensive pretreatment, to release lignin and to make cellulose and hemicelluloses more easily accessible to the subsequent action of cellulolytic enzymes responsible for releasing glucose monomers. Being Portugal a country with a vast forest area, Paper Industry assumes a prominent role. In the production of paper pulp is employed the kraft process, which removes lignin from wood, and affects hemicelluloses and cellulose. Thus, the kraft process can act as a pretreatment of lignocellulosic biomass, namely wastes from the paper industry itself, minimizing the process costs and contributing to the practice of a Circular Economy logic, which integrates the Pulp and Paper Industry into the biorefinery concept. The aim of this work was accessing the viability of bioethanol production from kraft pulp of Eucalyptus globulus barks by the yeasts Saccharomyces cerevisiae and Scheffersomyces stiptis. After enzymatic hydrolysis of the provided pulps, a hydrolysate with concentrations of 60.5 g/L glucose and 15.8 g/L xylose was obtained, yielding 77 %. Erlenmeyer tests were carried out and ethanol concentrations of 18.13 g/L with S. cerevisiae and 17.49 g/L with S. stipitis were obtained, with conversion efficiencies of 78.0 % and 65.0 %, respectively. A co-culture of the two yeasts was tested but there was no significant increase in ethanol production. Scaling up fermentation with S. cerevisiae to a pH controlled bioreactor with a working volume of 3 L resulted in an increase in the maximum ethanol concentration to 20.37 g/L. Consequently, efficiency increased to 85 %. The results obtained in this work demonstrate that the production of second generation bioethanol, through hydrolysates of E. globulus barks, by S. cerevisiae and S. stipitis mono-cultures using the kraft process as a pretreatment is indeed a viable process, which can contribute significantly to the establishment of integrated biorefineries in pulp and paper mills.

A utilização excessiva de recursos fósseis leva não só à sua depleção, mas também a graves problemas ambientais. A produção de biocombustíveis de segunda geração, através de matérias primas não destinadas à alimentação humana, pode mitigar estes problemas, ao mesmo tempo que contribui para a redução da deposição de resíduos. Por conter grandes quantidades de celulose e hemiceluloses e estar disponível em larga escala, a biomassa lenhocelulósica é uma fonte promissora para a produção de bioetanol de segunda geração. Para que materiais lenhocelulósicos possam ser convertidos em etanol através de microrganismos fermentativos, têm de sofrer um pré-tratamento complexo e caro, para que a lenhina seja libertada e a celulose e a hemicelulose se tornem mais facilmente acessíveis à ação de enzimas celulolíticas. Sendo Portugal um país que possui uma vasta área florestal, a Indústria Papeleira assume um papel de destaque. Na produção de pasta de papel é empregue o processo kraft, que remove a lenhina da madeira, e afeta as hemiceluloses e a celulose. Desta forma, o processo kraft poderá atuar como pré-tratamento de biomassa lenhocelulósica, nomeadamente de resíduos da própria indústria papeleira, minimizando os custos do processo e contribuindo para a prática de uma lógica de Economia Circular que integra a Indústria Papeleira no conceito de biorefinaria. O objetivo deste trabalho foi estudar a viabilidade da produção de bioetanol a partir de pastas kraft de cascas de Eucalyptus globulus pelas leveduras Saccharomyces cerevisiae e Scheffersomyces stiptis. Após hidrólise enzimática das pastas fornecidas obteve-se um hidrolisado com concentrações de 60,5 g/L de glucose e 15,8 g/L de xilose, com um rendimento de 77 %. Fizeram-se ensaios em Erlenmeyer e obteve-se uma concentração de etanol de 18,13 g/L com a S. cerevisiae e de 17,49 g/L com a S. stipitis, com eficiências de conversão de 78,0 % e 65,0 %, respetivamente. Testou-se uma co-cultura das duas leveduras mas não se verificou um aumento significativo na produção de etanol. O aumento de escala da fermentação com S. cerevisiae num biorreactor com controlo de pH e um volume útil de 3 L resultou num aumento da concentração máxima de etanol para 20,37 g/L e consequentemente a eficiência aumentou para 85 %. Os resultados obtidos demonstram que a produção de bioetanol de segunda geração, através de hidrolisados de pastas de cascas de E. globulus, por mono-culturas de S. cerevisiae e S. stipitis utilizando o processo kraft como pré-tratamento é de facto um processo viável, que pode contribuir significativamente para o estabelecimento de biorefinarias integradas em indústrias papeleiras.